聊聊狭义相对论-第7部分

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1762），人们把这种现象叫做“光行差”，而这个实验就是光行差实验。这个实验证明，如果以太是存在的话，也应该相对地球是运动的。　
　事实上，另外一个实验——斐索实验同样证明了这一点，不过，在这里我就不去谈斐索实验了，它必须结合数学工具来说，这样艰巨的任务就留给大学来完成吧。诸位，你只需要知道有这么一回事就足够了。　
　看来，线索又中断了，不过，我们应该高兴的是，我们又排除了一种可能——由于地球相对以太是静止的，所以我们观察不到干涉条纹。先别皱着眉头，路还长着哩！


我们已经排除了两种可能。一是逻辑本身存在问题；二是地球相对以太是静止的。还有没有其他的可能呢？　
　我们再来细细品味麦克尔孙…莫雷实验，阴谋一定就在其中。　
　别着急，面对危难，依旧保持清醒的头脑，冷静沉着，才能成就大器。别忘了你现在是谁！　
　我们的实验假设似乎没有问题，我们的实验目的和过程也是有依有据的。那？哪里还有什么问题吗？为什么我们得不到设想中的结果？　
　既然整个实验我们都没有找到不合理的地方，我们又没有忽略什么，那么问题就应该出现在其他地方。比如说，我们错过了有什么未知的现象，正是这种现象阻碍了干涉条纹的产生！可是，究竟有没有这种现象呢？　
　假设上帝创造世界时制定了这么个法则：凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹。这是一种可能吧？可是，我们能相信吗？要是站在自然科学的信仰上看，这个解释是极其荒唐的。为什么大自然要有这么一条特殊的法则？“大自然喜欢简洁”是我们一直以来进行科学研究的信仰。这么一条特殊的法则，不到万不得已、无路可走的情况下都不会被科学家接受。　
　因为上帝说凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹，所以我们观测不到条纹。这不是等于没有解释吗？打个比方，当时苹果掉下来的时候，牛顿如果是这样解释的话“因为上帝说是苹果都得掉回地面，所以这个苹果掉向地面！”，恐怕谁也不服，简直是开玩笑嘛！也肯定没有牛顿引力定律了。那依此类推，上帝还得制定“是小猫都得掉回地面”“是面包都得掉回地面”云云。如此之多的法则，独立开来，这正跟科学的目的相悖，我们的目标是——　
　用尽量少的假设去解释尽量多的现象。　
　正是这种信仰，让我们走到了今天，创造了今天的财富。　
　而现在，为了解释千千万万个实验中的一个，如此破费，不太值得吧？　
　这种可能先放下，不到最后一刻，我们都不可以用。没有理由，我们的信仰而已，搞科学也得有信仰呀！来，继续寻找其他的可能解释。　
　那还有没有其他的比较合理的、我们未知而又影响了麦克尔孙…莫雷实验的现象呢？　
　思考一下。我们的装置的镜子到镀银玻璃的距离都是L，相等的，所以我们认为由于两束光的速度不同，时间就自然不同了，也便会出现条纹！但是，等等，是不是两个距离真的都是L呢？　
　是的呀！我都量过了，毋庸置疑！确实是L！　
　等等，我的意思是，你量得是L没错，可是，做实验时还能保证它们都是L吗？　
　什么意思？　
　也就是说，本来与地球运动方向相同的镜子M2那路的距离是L，按照我们的分析，由于速度的原因，光线会比另外一路迟一点到达莫雷那地方。但是，会不会存在这么一种效应，由于运动，在运动方向上的长度会变短！而变短的程度，刚好使得麦克尔孙…莫雷实验中M2那路的光线走过的时间与M1那路一样了！　
　乍一看，那是相当的有道理呀！是呀！不准还真有这么一种效应，只不过之前我们还没有发现而已呢！而正是它阻碍了我们观察到干涉条纹！　
其实，这种解决方法最早由荷兰的一个名叫洛伦兹（1853…1928）的物理学家和数学家提出来，在1892年，为了说明麦克尔孙…莫雷实验的结果，他独立地提出了长度收缩的假说，就是相对以太运动的物体，其运动方向上的长度会缩短。到了1895年，他还发表了长度收缩的准确公式（在这里就不写出来了，当然是替那些对数学过敏的朋友着想。但还是顺带一句，洛伦兹的公式跟未来爱因斯坦推出的长度公式是一样的）。　
　如果你中学稍微认真一点听物理课的话，一定还会记得一个“洛伦兹力”。它指的就是带电粒子在磁场中运动所受到的一种力，这里的“洛伦兹”就是那个提出长度收缩假说的洛伦兹。洛伦兹由于在电子方面的贡献，获得了1902年的诺贝尔物理学奖。洛伦兹掌握了很多门外语，相信不当物理学家，也能靠翻译过日子，确实是个能人。　
　可是，这种解释你信服吗？肯定不信！这，不跟上面的“因为上帝说凡做麦克尔孙…莫雷实验都无法观测到干涉条纹，所以我们观测不到条纹”有异曲同工之“妙”吗？因为“相对以太运动的物体，其运动方向上的长度会缩短，所以我们看不到条纹”，这未免也有点牵强吧？　
　为什么会缩短呢？能不能从什么基础上推出来？凭空想象来的呀！半路杀出个程咬金！无端端，跑了个这么的东西出来，不只是你，连当时洛伦兹的很多同行充满非议——这不是为了纯粹解决困难才想出来的嘛！这只是个纯粹为了符合实验而发明的假说！　
　不同意！……不同意……太不可想象了！你说缩短了，那么你测量得出来吗？嘿嘿，不行，因为尺子也缩短了！噢，天呐，我……　
　没有来历的家伙！就像今天户口的黑户，什么都不知道。多半是像孙猴子那样，从石头迸出来的！　
　先保留意见呐！还是那句老话，这种可能先放下，不到最后一刻，我们都不可以用。　
　看来，在物理学中，当个福尔摩斯还并没有想象中的那么威风！（有些情况还不可以立即下手……）　
　看看还有没有其他更好一点的方法……


逻辑本身有问题的可能被我们第一时间枪毙了。　
　地球与以太相对静止，这种解释也因为不符合实际情况，PK了。　
　洛伦兹的主意倒是巧妙，但是站在他那块土地上，总觉得不够坚实，让人感到恐惧，无法接受。　
　可以说，后面两个解释都是在牛顿的假设的基础上，我们加上一些附加条件。一个附上了“地球相对以太是静止的”；　洛伦兹的又是“相对以太运动的物体，其运动方向上的长度会缩短”。但最终都不是解决问题的好方法。　
　似乎我们进入了死胡同。　
　看来，再在牛顿的基础上干加工的手脚是没什么前途的。既然，此路不通，那我们就寻找他路。　
　现在，来尝试一下，不要牛顿的假设了，咱们另起炉灶，自己动手使用别的假设，看能不能解决问题。　
　参考参考“地球相对以太是静止的”这个想法，虽然地球相对以太并不是静止的，但是它给我们指明了一个方向。只要使得麦克尔孙…莫雷实验中两路光的速度是相同的，我们就有可能解释实验结果。　
那怎样才可以推出“麦克尔孙…莫雷实验中两路光的速度是相同的”呢？如果……如果……如果说“光的速度为c是相对光源S来说的”行不行呢？可以吗？　
　细想一下，很明显，麦克尔孙…莫雷实验中光源S是与地球一起运动的，光速为c如果是相对光源S来说的话，由于我们与光源相对静止，因而两路光线的速度对我们来说都是c！这正好是我们之前想找的！完全合理！要是真的是这样的话，那问题就迎刃而解了！　
　但是我们千万不可以忘了以太，要知道，按照经典理论，离开以太，光将失去传播的载体！所以，我们新的假设是“以太是静止的，光速与光源的运动有关，光速c是相对光源来说的”。其实，这种观点在19世纪被称作“发射说”。　
　实践是检验真理的唯一标准。假说终归是假说，得经受住事实的检验才行。　
　老规矩，做实验，找否定后件或肯定后件！　
　这次还是天文学家帮了忙，他找到一个叫做双星的现象来说明问题。　
　“我们来看个例子——双星。双星就是质量相当的、由于万有引力，相互围绕对方来运转的两个星体，最重要的一点，我们要的是发光的双星。想象一下，离地球很远的双星中有一颗以速度v向着地球而来的时候，根据上面的假设，我们看到它所发出的光的速度应该是c＋v；而当它转了一会，变为背对着地球以v离去的时候，它的光速应该成了c…v。”　
“这速度不同，造成了其所发出的光到达地球所用的时间不同，因而在同一时刻观察这一颗星体时，不应该只看到一个点！是吧？”　
　但是，结果大失所望，只是一点！　
　事实上，在1924年，有人利用太阳光作为光源来做麦克尔孙…莫雷实验，如果说光速真的与光源有关的话，那么应该是可以看到干涉条纹的（自己想一下为什么）。但是，结果依旧看不到。当然，这已是相对论诞生之后的事情了。　
　又是否定后件！一枪搞掂！假设不成立！　
　看来，这也行不通！又一次碰鼻子了！在麦克尔孙…莫雷实验上，我们已是一鼻子灰了。难道它就真的那么不可思议？　
　这也不行，那也不行，到底想怎么样嘛！　
　别着急，其实，19世纪的物理学家也不比我们好到哪里去。他们也被麦克尔孙…莫雷实验搞得茶饭不思，不知如何是好。　
　到了这时候，我们，或者说整个物理学都确实很乱了。仰望天空，已是乌云密布，不再是那朵不起眼的小乌云了，黑云压得人们喘不过气来，人们个个心烦意乱。眺望经典大厦，那条天梯在不停的晃动，最可怕的是还带动了整幢大厦，仿佛下一秒钟就要倒塌，化成废墟。　
　看来，一场大灾难在所难免。　
　看来，一场大革命即将来临。　
　处于乱世，人心惶惶。　
　但是，英雄越是在危急的情况下越是与众不同，他们不管旁人如何，总能冷静下来，仔细分析一切，然后找出最好的路子，一鼓作气，成就大事。　
　我们是福尔摩斯，我们一定可以找出打开大门的钥匙。　
　让他们疯狂去吧！我们安静下来，好好地反思一下……


我们现在就像站在深山中，云雾萦绕，四处茫茫。环顾四周，可以看到几条我们曾经走过的路，但都证明其实那是走不通的。或许，你还发现了其他的道路，但是在这里就不一一去试探了。如何尽早离开这是非之地，才是上策呀！　
　为什么？为什么我们所走过的路都是死路？我们前进的指向标可是高高在上的经典物理学呀！它曾经是那么的辉煌！谁也不会忘记当年的海王星的发现是我们的功劳！谁也不会忘记当年电磁波的首次发射依靠的是我们的武器！我们曾经所向披靡，锐不可当！为什么今天却如此狼狈呢？每一招都被敌方所破，反而还弄伤自己！　
　为什么呀……　
　一声大喊，回音荡荡。　
　如此碰壁，令我们不得不重新开始审视我们曾经奉为圣条、当作指路标的经典物理学的基础。我们来认认真真地、对一切都带着怀疑的眼光地琢磨一番那些死路。　
　第一条路——逻辑问题，首先拿开，这是绝对不可以怀疑的！　
　再回忆一下其他的道路。注意到了没有，全部都与以太有关！　
　以太！以太！难道是以太出了问题？　
　但以太可是经典物理学的根基呀！没有以太，就没有了绝对参考系！没有以太，就没有光的传播介质！没有以太，就没有牛顿大楼和麦克斯韦大楼的联结呀！　
　说哪里有问题都行，但说以太就万万不可呀！以太被挪动了，经典物理学就没了！　
　即便如此，我们也管不了那么多了，还是得钻研一番。因为，我们已经无路可走了。　
　在前面，从《宇宙之谜》里面关于以太的讨论中，有这么一句“以太是不可测度的。”好象这句话有一些问题。　
　我们先来说说科学中一个相当著名的原理——奥卡姆剃刀原理。它是14世纪一个生于奥卡姆的名叫威廉的修道士所提出的。“当我们面对一大堆可以解释某个事实的说法时，我们应该相信假设最少的那一个”。这也充分体现了科学的简洁之美，是科学家的信仰所在。　
　举个例子。我想很多人都没有见到过上帝，至少没有确切的证据表明有谁见过上帝。那，怎样来解释“没有见过上帝”这个事实呢？　
　第一种方案。　
　假设一：上帝是存在的；　
　假设二：上帝是不可以被看见的；　
　结论：没有人见过上帝。　
　第二种方案。　
　假设：上帝是不存在的；　
　结论：没有人见过上帝。　
　你相信哪一种呢？我想还是第二种多一些吧。就算我们还不知道奥卡姆剃刀原理，我们也会选择第二种，是吧？　
　第一个说法明显多了一条假设，但它的解释也不见得比第二种好多少，只不过解释了一样的事实。而第二种简洁明了，达到了一样的效果，我们很难相信它是不真实的。　
　好，反观以太，似乎也犯了这种“错误”。　
　经典物理学也用了两个假设去解释为什么测量不到以太这个事实——以太是存在的，以太是不可测度的（或者地球跟以太是相对静止的、或者存在长度收缩效应……），所以测量不到以太。　
　可以说，死抱着以太不放，而去解释麦克尔孙…莫雷实验，至少违反了奥卡姆剃刀原理！但是，我们从美的角度出发，又很难相信奥卡姆剃刀原理是错误的。况且，有以太的经典物理学也无法解释得清麦克尔孙…莫雷实验！　
　要是我们换另外一种更简洁的说法去解释测量不到以太这个事实，或许会合理些——因为没有以太，所以测量不到以太！　
　是的，打倒以太！　
　是的，扔掉以太！　
　这或许是我们的出路所在！


好，回到我们游客的身份，不当福尔摩斯了。　
　革命的口号是容易叫，革命的豪言谁都能放。但是，你有本钱吗？你要面对的是千千万万个牛顿的粉丝呀！虽然19世纪不再是布鲁诺的时代，不再是伽利略的年头，但你要想起义，虽说可以不被人家干掉，但也会被口水淹死呀！　
　你负得起后果吗？要知道，丢掉以太，对经典物理学来说，那